Levantamento de Trabalhos Considerados mais Relevantes

A explosão do uso de dispositivos e aplicações móveis nos últimos anos tem levado a uma sobrecarga da infraestrutura da rede responsável pelo escoamento desse tráfego, afetando tanto o desempenho da rede quanto a experiência do usuário. Um dos elementos- chave nas redes LTE é a possibilidade de implantação de múltiplas femtocells para a melhoria de cobertura e taxa de dados. Nesse sentido, em Silva (2014) é proposta uma metodologia para o estudo do impacto do handover em redes LTE com femtocells. O estudo teve por objetivo promover uma discussão quanto à efetividade da integração de femtocell em redes LTE, considerando a questão da viabilidade da tecnologia como uma interface para melhoria da cobertura e qualidade de serviço em ambientes indoor.

Estudos realizados por Lee (2010) mostram que a implantação de femtocells pode ter um impacto indesejado sobre o desempenho na macrocell. A alocação de recursos de espectro e a necessidade de evitar interferências eletromagnéticas são obstáculos frequentes encontrados pelas operadoras que desejam implantar esta tecnologia. É feita uma análise da interferência baseada em um cenário realista contendo macrocell e femtocell utilizando OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access). É dada especial atenção ao uso de possíveis técnicas de autoconfiguração e auto-otimização para evitar a interferência.

Em Raheem et al. (2014) é feito um estudo de implantação de femtocells móveis em redes LTE. As femtocells móveis podem ser implantadas em veículos de transporte público, como trens, ônibus ou, ainda, em carros particulares, pois formam sua própria célula no interior dos veículos para atender os equipamentos do usuário. Dois cenários foram considerados, no caso de femtocells/fixo-móvel. O desempenho do Femtos Fixo e Femtos Móveis foi investigada, bem como a borda da célula. O desempenho dos UEs (User Equipment) foi melhorado após a adição de Femtos Fixo e Femtos Móveis. No entanto, UEs

52 móveis tenham um melhor desempenho depois de adicionar os Femtos Móveis uma vez que podem chegar a áreas que Femtos Fixo não pode alcançar.

À medida que as redes celulares estão se tornando mais complexas, o consumo de energia da infraestrutura da rede inteira está se tornando importante não só em termos de custos operacionais, mas também em impactos ambientais. Em Chen et al. (2013), investiga- se a eficiência energética das redes femtocell combinando teoria dos jogos e aprendizagem estocástica. Com a formulação do jogo Stackelberg, no processo de aprendizagem, as macrocells atuam como líderes e as femtocells como seguidoras. Neste trabalho, propõem-se dois algoritmos inteligentes baseados na aprendizagem para agendar níveis de potência estocásticos de cada célula. Experimentos numéricos são apresentados para validar as investigações. Os resultados mostram que os dois algoritmos de aprendizado melhoram substancialmente a eficiência energética das redes femtocell.

Andrews (2012) oferece uma ampla e detalhada revisão da literatura: destaca as principais características sobre a tecnologia femtocell e fornece um levantamento quanto a questões técnicas, de negócio e regulamentos.

Existem dois tipos de alocações de frequências em redes femto-macro: alocação com canais dedicados e alocação co-canal. No modo de canal dedicado, diferentes canais de frequência são atribuídos à femtocell e à macrocell e não há interferência entre elas. Este método, contudo, pode desperdiçar recursos, já que nem sempre existirá uma femtocell utilizando o canal reservado. Por outro lado, o método de co-canal atribui o mesmo canal de frequência para o femtocell e macrocélula. A alocação co-canal resulta em uso mais eficiente do espectro, facilita o processo de handover e o processo de busca por células, mas pode ocorrer a interferência entre a femtocell e macrocélula que, se não for administrada, pode degradar significativamente a qualidade do sinal (SUNG et al., 2008).

Em Demirdogen et al. (2010) e Claussen, (2007; 2008), os resultados das simulações comparando os modos de alocação de frequências, mostram que não existe qualquer combinação de canal dedicado que seja superior à alocação co-canal. Em outras palavras, apesar do problema da interferência, a alocação co-canal é mais eficiente.

Originalmente as femtocells foram projetadas principalmente para ambientes domésticos, mas também podem ser uma solução rentável para as empresas por conter características de auto-organização. Em Mhiri et al. (2011) é apresentado um algoritmo de redes verdes em femtocells. Trata-se de um algoritmo automatizado e descentralizado de configuração e gerenciamento de conjuntos de estações base femtocell autônomas. O sistema implementa a autoconfiguração e a auto-otimização para gerenciamento de energia

53 comparado com sistemas centralizados existente, em que uma central de gestão de dispositivo calcula a informação. Essa abordagem aumenta a confiabilidade porque elimina o ponto central de falha e pode aumentar desempenho devido à comunicação e ao processamento paralelo, mostrando a capacidade de otimizar a cobertura e, consequentemente, o consumo de energia substancial resultante.

Vários autores têm publicado modelos ou algoritmos de comunicação verde em redes móveis. Em Chee et al. (2011) investiga-se de que forma as femtocells podem fazer redes celulares convencionais mais “verdes". A pesquisa apresenta um framework de modelagem energética, para avaliar o consumo total de energia em uma rede celular a partir da utilização de femtocells. Consideram-se vários ambientes de rede, incluindo a propagação indoor, a distribuição de usuários perto das femtocells, e uma política de acesso que tem efeito sobre o desempenho da rede. Os resultados das simulações nos diversos ambientes propostos mostraram que, no geral, uma tecnologia mais verde reduz o consumo total de energia em uma rede celular. Foram obtidos o desempenho do sistema e o consumo de energia para três cenários diferentes: femtocell com diferente taxa de conexão, diferente taxa de acesso aberto e célula com diferentes coberturas. Também foi possível identificar diretrizes que ajudam as operadoras na implantação e gerência de uma rede celular com femtocells, de maneira mais ecológica.

Em Salem & Reguida (2013) é descrita uma política de decisão para reduzir o consumo de energia em femtocell, tendo como principal métrica o número de usuários conectados a ela. Acrescentam, ainda, que o objetivo específico envolve a investigação e a criação de métodos inovadores para a redução total de energia necessária para operar uma rede de acesso de rádio e identificar arquiteturas de rádio mais adequadas e de grande poder de redução no consumo de energia. Além disso, o recente desenvolvimento de hierarquias para alocação de usuários em redes Macro/Femto em banda larga baseada em acesso sem fio vem chamando a atenção dos prestadores de serviços devido à sua cobertura indoor melhorada. O artigo não dá atenção para maximizar o uso de bateria dos clientes, considerando os aspectos de QoS e QoE.

Em Kong (2014) é apresentada uma proposta de redução da emissão de CO2 de uma

rede sem fio, ativando e desativando recursos da estação base, através de um processo markoviano de decisão de tempo discreto para a tomada de decisão em cada época, ativando, desativando ou mantendo os recursos. A política proposta pode reduzir em até 50% o consumo de energia, sem comprometer qualidade de serviço, que é avaliada através

54 da probabilidade de bloqueio. Porém o estudo não se preocupa com o consumo de energia dos nós clientes e não considera os aspectos QoE.

Já em Almeida et al. (2013) é apresentada uma proposta de alocação otimizada de usuários em uma rede macro-femto co-canal, visando maximizar o QoS das aplicações e eficiência energética, buscando o conceito de redes verdes. Dessa forma, é utilizado um sistema de inferência fuzzy, formulado para definir à qual rede o dispositivo móvel deve se conectar. Os resultados mostram que, em comparação com abordagens tradicionais de QoS, o modelo proposto pode melhorar a eficiência energética em até 25%. No entanto, o trabalho não utiliza uma política para alocação dos usuários e também não traz avaliação de QoE.

Em Souza (2013), é analisado o uso racional de recursos, principalmente de energia. Propõe-se a utilização de medidas de eficiência energéticas já existentes, aperfeiçoando-as e/ou adaptando-as para outras áreas. Sugere-se, como exemplo, a maximização da quantidade de bits transmitidos para cada unidade de energia consumida pela rede, considerando os requisitos dos padrões de redes sem fio macrocelulares e, utilizando como cenário de aplicação, redes de comunicações de múltiplo acesso por divisão de código (CDMA).

A literatura da área está voltada principalmente para a eficiência energética das células macrocélulas e femtocélulas, sem muita atenção dedicada a maximizar o uso de bateria de nós clientes, considerando os aspectos de QoS e QoE. A proposta desta dissertação visa à validação de um modelo que considere os itens anteriores, através de simulação discreta.

5.3 Considerações Finais

Neste capítulo, foram apresentados trabalhos que ilustram o estado da arte de técnicas e modelos empregados em redes femtocell e em otimização de redes verdes, a fim de demonstrar a diversidade de estratégias que vêm sendo aplicadas para esse fim. Objetivou-se também demonstrar lacunas existentes na literatura que poderão ser utilizadas como objeto de estudo desta dissertação.

55 CAPÍTULO 6 – METODOLOGIA

6.1 Considerações Iniciais

Neste capítulo será apresentada a estratégia que foi utilizada para montar os cenários. Para execução deste trabalho foi necessário seguir uma determinada metodologia de forma que os resultados viessem coerentes com o que se pretendia analisar, desta forma podemos verificar um fluxograma que descreve as etapas executadas durante este trabalho. A Figura 11 apresenta a sequencia na qual o trabalho foi desenvolvido.

Figura 11. Fluxograma da metodologia proposta

Inicialmente foram estudados os softwares existentes para simulação discreta compatíveis com os módulos MIH e de bateria de Rakhmatov – Vrudhula. Feito a determinação do software, iniciou-se o processo de configuração da estrutura de rede, em seguida foram configurados os cenários de teste da simulação e inserido o algoritmo da política. Adiante, foram criados três cenários distintos para os testes da simulação (macrocell, femtocell e política). Posteriormente foram definidos os parâmetros de simulação da macrocell, femtocell, e das aplicações de voz, dados e vídeo. Por fim, foi executada a simulação e realizado as coletas dos resultados. Os principais métodos utilizados nesta dissertação serão abordados nas seções abaixo.

56 Como mencionado na subseção 4.7.1 desta dissertação, existem vários simuladores de redes, O NS-2 na versão 2.29 foi escolhido por ser de código aberto e pelo fato de poder adicionar os seguintes módulos:

1. Módulo MIH: este módulo foi baixado do site do NIST (NIST, 2013) e adicionado ao NS-2 para auxiliar na decisão de handover, em que se aplicou a política na classe handover do tracer Handover2.cc, localizado dentro do diretório do módulo MIH do simulador de redes NS-2.

2. Módulo de bateria não-linear de Rakhmatov-Vrudhula: este é considero o modelo de bateria mais realista, pois esse modelo consegue capturar as principais propriedades da bateria, e descreve adequadamente os seus efeitos não-lineares que ocorrem durante uma corrente descarga. O modelo de Rakhmatov-Vrudhula foi adaptado neste trabalho para baterias de íons de lítio. A escolha da utilização de baterias de íons de lítio é devido à maioria dos dispositivos móveis na atualidade utilizarem esse tipo de bateria (COSTA NETO, 2011).

No simulador NS-2 foi feito uma adaptação de um acess point Wi-Fi para que se comportasse como um acess point femtocell (Home NodeB). Diante disso, foi possível inserir no simulador a estrutura de rede que será abordado na próxima seção.

6.3 Estrutura da Rede

Foi utilizada na simulação a estrutura da rede móvel presente no artigo de Cardoso et al. (2012). A estrutura da rede móvel visa a atender a estação móvel que se comunica com as células macrocell e femtocell, por meio do ponto de acesso femtocell que é conectado à rede da operadora do usuário, através da conexão banda larga DSL existente na residência e pela ERB (que é responsável por fornecer o acesso pelo gerenciamento das estações clientes), as quais fornecem o acesso sem fio conforme a Figura 12.

57 Figura 12. Cenário macrocell e femtocell que está sendo levado em consideração.

As chegadas de chamadas podem ser atendidas por ambas as redes, que têm diferentes distâncias para os nós móveis, diferentes larguras de banda, perdas e diferentes usuários máximos que podem ser conectados.

Quando uma nova chamada é requisitada, a arquitetura e os parâmetros, tais como o consumo de energia, a largura de banda disponível e a probabilidade de perda de pacotes de cada rede, são usados para decidir qual a rede deve ser escolhida para servir à chamada. Caso novas chamadas sejam bloqueadas devido à limitação de capacidade, estas serão encaminhadas para outra rede de serviço possível.

Há duas classes de serviço de acesso à rede: voz e dados. Elas são formadas por novas chamadas e chamadas de handover. Esses pedidos chegam ao sistema de acordo com dois processos de Poisson e com parâmetros e , para voz e dados, respectivamente. A variável n indica se o pedido é para se conectar à macrocell (n = m) ou à femtocell (n = f), ou se é um pedido que decide à qual célula n deve se conectar.

Os tempos de serviço de chamadas de voz e pacotes de dados seguem distribuições exponenciais com parâmetros 1/ e 1/ , respectivamente. Além disso, não há qualquer diferenciação entre os canais de voz e dados.

É importante esclarecer que o sistema é modelado como observado pelo usuário. Assim, quando o usuário precisa conectar para fazer uma chamada de voz ou de dados, a estação móvel tem que decidir em qual rede conectar, utilizando as informações de número de conexões, parâmetros de qualidade de serviço e o nível de potência do sinal de cada rede. Este último pode ser obtido diretamente, mas as outras variáveis têm de ser investigadas para o sistema.

58 Utilizando a estrutura de rede representada pela Figura 12, foram criados três cenários. Nas duas próximas seções, serão descritos os cenários e a estrutura da política aplicada para análise da simulação.

6.4 Cenários

Foram criados três cenários que são descritos na Tabela 5. Em todos os cenários a arquitetura proposta na subseção 6.3 é utilizada. Foram especificadas distâncias de 20 (vinte) metros entre o usuário móvel e a femtocell e de 480 (quatrocentos e oitenta) metros entre o usuário móvel e a macrocell. Portanto, o usuário está na área de cobertura de ambas as células. No primeiro cenário (macrocell), os utilizadores transmitem apenas nesta rede; no segundo (femtocell), apenas a rede femtocell pode ser usada como saída e, no terceiro (política), as redes macrocell e femtocell podem ser usadas, mas a escolha é feita pela política. Todos os cenários foram utilizados para avaliar o consumo de energia e as métricas de QoS e QoE.

Tabela 5. Cenários Testados

Cenários Números de Usuários Tempo de Simulação (S) Número de Repetições Intervalo de Confiança (%) Macrocell 15 70 30 95 Femtocell 15 70 30 95 Política (Macrocell/Femtocell) 15 70 30 95 6.5 Política

A política visa a encaminhar as chamadas à rede femtocell até que esta tenha esgotada sua capacidade. Depois do esgotamento da capacidade desta rede, as chamadas são encaminhadas à rede macrocell. Uma vez esgotadas ambas as redes, as chamadas são bloqueadas. A cada chamada terminada, abre-se uma vaga nesta rede que deve ser preenchida com uma nova chamada, sendo priorizando a rede femtocell (Figura 13).

O modelo markoviano de Cardoso et al. (2012) gerou uma política que foi implementada em forma de algoritmo para ser inserido no simulador. O algoritmo genérico da política markoviana é representado na Tabela 6 a seguir.

59 Tabela 6. Algoritmo Genérico da Política Markoviana

1: chegada_chamada( );

2: if ( chamada == voz || chamada == dados){ 3: if (qte_usuário_femtocell < 5) { 4: conectar_femtocell( );

5: }

6: else if (qte_usuari_femtocell > 5 && qte_usuário_macrocell < 10){ 7: conectar_macrocell( ); 8: } 9: else{ 10: bloquear_chamada( ); 11: } 12: }

Como forma de facilitar o entendimento do fluxo de cada chamada que entra no sistema, foi montado um fluxograma explicando passo a passo como uma chamada é atendida, representado na Figura 13.

Figura 13. Fluxograma da política

A política mostrada no fluxograma da Figura 13 funciona nos seguintes passos: 1. Inicia a simulação;

2. Chega uma chamada;

3. Identifica se a chamada é de voz ou de dados;

4. A chamada segue para a política de voz ou a política de dados;

5. A rede identifica se o número de chamadas na femtocell é menor que 5; 6. Se atender ao passo cinco, conecta a chamada na femtocell;

60 7. Senão, a rede identifica se os números de chamadas são iguais a cinco e

menor que dez na femtocell e macrocell respectivamente; 8. Se atender ao passo oito, a chamada é conectada na macrocell;

9. Se a rede identificar que as quantidades de chamadas presentes na femtocell e macrocell, for igual a cinco e a dez, respectivamente, as próximas chamadas recebidas serão bloqueadas na rede;

10.Finaliza simulação.

O algoritmo genérico da política markviana foi inserido através do módulo MIH adicionado no NS-2. Assim, o objetivo é que, através da política, o usuário se conecte na rede fornecedora de melhores resultados das métricas de QoS, QoE e de redução de consumo de bateria para o dispositivo móvel. Nas seções a seguir, serão abordados os parâmetros de simulação utilizada nessa dissertação.

6.6 Parâmetros da Simulação

Os nós móveis iniciaram a simulação ligado a macrocell. Durante o período, houve mudança para a cobertura femtocell. Quinze usuários foram incluídos no cenário. A simulação durou 70 segundos, e foi repetida 30 vezes, com intervalo de confiança de 95%. O valor inicial para o consumo de energia da bateria na simulação foi de 1000 Joules (FERREIRA JUNIOR, 2013; COSTA NETO, 2011). Os parâmetros de configuração das tecnologias macrocell, femotcell e o parâmetros das aplicações voz, dados e videos são apresentados nas Tabelas 7,8 e 9 a seguir.

Tabela 7. Parâmetros da Macrocell e Femtocell (FERREIRA JÚNIOR, 2013)

Parâmetros Macrocell Femtocell

Potência 25 dBm 13 dBm

Ganho da antena 1,0 dBi 1,0 dBi

Frequência 2,5 Ghz 2,412 Ghz

Largura de Banda 75 Mbps 54 Mbps

Raio de Cobertura 1 km 50 m

Tabela 8. Parâmetros das Aplicações Voz e Dados (ALMEIDA et al., 2013)

Parâmetros Voz Dados

Tamanho do Pacote 244 bits 1024 bits

Taxa de Dados 12,2 Kbps 144 Kbps

61 Tabela 9. Parâmetros da Simulação com Vídeo (EVALVID, 2014; FERREIRA JÚNIOR, 2013)

Vídeo Resolução: 352 x 288 Taxa de Frames: 30 frames/s

Modo de Cor: Y, U, V

Fila Drop Tail (40 ms delay)

Tamanho do Pacote 1052 bytes

Fragmentação Máxima do Pacote 1024 bytes

Tempo de Simulação 70 segundos

Intervalo de Confiança 95 %

Número de Usuários 15

O vídeo utilizado na simulação foi o “Akiyo”, que possui 300 frames no formato YUV com dimensão de 352x288. Foi codificado com o MPEG-4 CODEC a uma taxa de 30 frame/s (YUV, 2014).

Para a transmissão de vídeo foi utilizada a ferramenta Evalvid na versão 2.7 (EVALVID, 2014); o vídeo simulado foi avaliado usando a ferramenta MSU (Video Quality Measurement Tool), (MSU, 2014). A analise da qualidade do vídeo para os cenários femtocell, macrocell e política foi feito através dos resultados das métricas PSNR, VQM e SSIM que já foram descritas na seção.

Os procedimentos para as simulações com vídeo foram:

1. Conversão do vídeo para arquivo de trace no Evalvid; 2. Leitura do trace do vídeo para simulação no ns-2;

3. Reconstrução do vídeo através do trace de saída obtido na simulação; 4. Avaliação do vídeo na ferramenta MSU Video Quality Measurement Tool.

6.7 Considerações Finais

O atual capítulo apresentou a metodologia da presente dissertação. Os principais métodos utilizados para a escrita desse trabalho foram baseados em estudos dos principais simuladores de redes. Foram estudados os modelos de baterias para dispositivos móveis. Em seguida, buscou-se o entendimento da arquitetura de rede, enfatizando o estudo dos dispositivos de redes inseridos nessa arquitetura. Logo após, foram definidos os cenários para os testes da simulação e a introdução do algoritmo da política através do módulo MIH adicionado no NS-2. Por fim, foram descritos o parâmetros da simulação.

62 CAPÍTULO 7 – RESULTADOS

7.1 Considerações Iniciais

Neste capítulo, são apresentados os resultados da análise da simulação. No primeiro caso descrito, analisa-se a descarga da bateria dos nós clientes em cenários femtocell, macrocell, com e sem política. Em seguida, demonstram-se os valores dos resultados das principais métricas de QoS e QoE avaliadas durante a simulação.